高層建筑中轉換層結構設計的應用探討

曾品珣，羅承師

（1.深圳市潤投咨詢有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510630；2.廣東省潤投咨詢有限公司，廣東 廣州 511400）

0 引言

根據(jù)不同的居民生活需要，可以將結構分為不同的類型，根據(jù)不同的分類標準，可以得出不同的分類標準，如果按建筑材料的分類，可以分為混凝土、鋼、混合、砌塊等。按結構形態(tài)劃分，可分為框架結構（圖1）、排架結構和剪力墻結構（圖2）等。按建筑高度劃分，可分為超高層、高層、多層、單層。根據(jù)其特殊用途，可將其分為工業(yè)和民用兩類。在目前國內，轉換層是最常用的一種結構形式，在進行轉換層結構的設計時，首先要對其進行基本的理論研究，然后通過對其進行分析和檢驗，從而達到更好的設計效果。同時，合理的平面及豎向布局能夠使整個建筑成為一個很好的抗震系統(tǒng)[1]，因此，在進行建筑設計時，需要對建筑進行持續(xù)的研究，并對各種方案進行對比，盡可能地制定出最優(yōu)的技術方案，以確保建筑的安全及經濟。

圖1 框架結構

圖2 剪力墻結構

1 合理設計轉換層的重要性

轉換層結構從建筑的使用功能來看，它無疑是將底層的無柱空間進行了擴展，這樣就可以最大程度地提高建筑布局的靈活性，適合在大型商場等的運營。但是，從抗震的角度來看，在轉換層的結構中，有一些豎向抗側力構件并沒有貫通，而是利用水平轉換結構，將上面的豎向荷載轉移到下面的豎向荷載，這樣的話，傳力途徑就會發(fā)生根本的改變，因此，傳力途徑會進行多次的轉換，從而使其受力變得更加復雜。此外，在轉換層中，豎向剛度和剪力都會出現(xiàn)突變，很容易形成一個薄弱的區(qū)域。此外，在偏心載荷的作用下，轉換梁還會產生扭轉效應，這對抗震非常不利。因此，如何對轉換層進行合理的設計，就顯得尤為重要。在建筑結構底層，如果轉換層設置在較高的樓層，將會引起轉換層上、下兩個樓層的剛度發(fā)生突變，造成剪力墻出現(xiàn)開裂，從而引起轉換層的內力增加，從而影響轉換層的穩(wěn)定，降低建筑結構的抗震能力[2]。為此，需要對轉換層進行結構優(yōu)化，并對轉換層進行合理的內力調節(jié)，增強轉換層的承載能力，并選擇合適的轉換件，以確保建筑的使用功能。轉換層設計如圖3 所示。

圖3 轉換層設計

2 轉換層結構設計的應用

2.1 轉換梁的構造要求

在進行轉換梁結構設計的時候，要盡量避免開洞，并且要按照結構設計的要求，對轉換梁剪壓比進行嚴格的控制，按照有關的抗震設計要求，將轉換梁上、下主筋的最小配筋率設定在0.4%～0.6%。轉換梁中的主筋應使用機械連接的方法，將縱向鋼筋之間的接頭進行緊密的連接，并且要確保同一區(qū)段內接頭連接面積不超過主筋截面積的50%，接頭位置應避開上部墻體開洞、托柱部位及受力較大部位。對于偏心受拉的轉換梁要求上部50%的主筋全長貫通，腰筋間距不大于200mm，直徑不小于16mm，且錨入柱內不小于受拉鋼筋抗震錨固長度，與此同時，下部主筋必須全部貫通到框支柱的內部。并對離柱邊1.5 倍轉換梁高范圍內的箍筋進行加密，加密箍筋直徑不小于10mm，間隔不大于100mm，并結構抗震等級，控制加密區(qū)最小面積配箍率，以確保其延性。

2.2 框支柱設計

為確保框支柱的設計合理，箍筋的直徑應該不小于10mm，間距不大于100mm 及6 倍縱筋最小直徑，沿柱全高加密。并應較普通框架柱提高其箍筋體積配箍率特征值不小于0.02.根據(jù)其抗震等級，控制框支柱的縱向鋼筋最小配筋率，同時還要確保框支梁的縱向鋼筋間距不小于80mm，不大于200mm，及縱向鋼筋配筋率不會超過4%。同時，在內力設計時，應根據(jù)抗震等級對地震內力進行放大。一、二級轉換柱由地震作用產生的軸力應分別乘以增大系數(shù)1.5、1.2。與轉換構件相連的一、二級轉換柱的上端和底層下端截面彎矩組合值應分別乘以增大系數(shù)1.5、1.3，轉換角柱的彎矩、剪力設計值應分別再乘以增大系數(shù)1.1。與此同時，要按照框支框架個數(shù)來對框支框架進行剪切剛度設計，確保框支框架轉換層剛度與其相鄰上層的剛度比不宜過小[3]。

2.3 轉換層抗震設計

從建筑物轉換層抗震理論和有關分析結果中可以得知，在對建筑物轉換層結構進行優(yōu)化時，可對框支柱、轉換梁等轉換層結構的內力設計進行合理的調整，從而提高建筑樓層的最小水平地震承載力，保證在建筑結構遇到地震時，樓層之間的轉換層結構還具備一定的彈性，從而降低地震對建筑物造成的影響。在此基礎上，通過對轉換層在縱向和橫向兩個方向上所承受的內力進行合理的調節(jié)，確保框架梁和剪力墻的承載能力滿足設計要求，確保該建筑轉換層具備雙側抗側能力。對彈性階段的設計內力做出相應的調整，以確保建筑物轉換層結構擁有一定的抗震性能，與此同時，還要保證一些重要的部件及普通豎向部件復核中震、大震下的抗剪性能和抗彎性能，根據(jù)不同結構構件的重要程度選擇合理的抗震性能水準，這樣可以將施工設計成本降到最低。不過，要特別指出的是，對于轉換結構，還應補充時程分析，復核其在地震波的反復作用下的內力時程以及損傷程度，這樣才能保證建筑物結構的抗震性能滿足設計要求。轉換層抗震設計如圖4 所示。

圖4 轉換層抗震設計

2.4 框支梁設計

框支梁和轉換梁雖然同為一種結構形式，但是二者在結構形式上存在著較大的差異，在對其力學性能進行分析之前，必須先對其力學性能進行全面的分析。簡而言之，框支梁指的是在一般剪力墻之下的框架梁，而轉換梁泛指在豎向構件之下的框架梁；托住轉換梁僅承受彎矩和剪力，是一種正常的受彎構件；框支梁同時承受拉力，是一種偏心受拉的構件，與磚木框架中的墻梁相似；轉換梁兩邊的樓板層與正常樓板層相同，但在框支梁兩邊的樓板層除了具有正常樓板層的功能之外，還承擔著共同的受力功能；轉換梁與框架梁在受力上有很大區(qū)別，其結構形式及配筋方式也有很大區(qū)別。

在確定框支梁斷面時，要考慮到上部墻體所承受的剪力和荷載的比例，其框支梁斷面寬度應不小于2 倍墻厚及400mm 的較大值，并按框支框架的跨度和受力大小來確定框支梁斷面高度。因為框支梁是轉換層的主要受力結構，它是建筑物剪力墻結構抗震抗剪性能的重要保障，它的受力十分復雜。所以，在對框架梁進行設計的時候，應該準備多個設計方案，并在框支梁上設計出一種傳力合理的結構，根據(jù)建筑物抗震等級要求，控制框支梁縱筋最小配筋率[4]。因為框支梁是一種偏心受拉型建筑構件，在梁結構中會有一定大小的軸力。為了確保框支梁的穩(wěn)定性，需要在框支梁的中部設置一定數(shù)量的腰筋，并且沿著框支梁水平布置，腰筋間距不大于0.2m，并且要嚴格確保將腰肢嵌入框支梁的支座之內。框支梁是一種具有較大承載能力的新型建筑，它是一種具有較高承載能力的新型建筑，在設計時，必須按照“強剪弱彎”的設計理念，嚴格控制縱向鋼筋數(shù)目，并對配箍進行加強。

2.5 斜截面抗震設計

一般情況下，在給定水平力時，由于柱子截面的差異，其結構形式也就不同，因而，受力比例影響的程度也就不同。因此，在實際設計中，柱截面和剪力墻的設置都要根據(jù)地震傾覆彎矩比例進行調整。開展建筑構造抗震設計的關鍵是通過提升建筑物本身抗剪水平和承重能力，實現(xiàn)建筑物良好的抗震性能。所以在開展具體設計工作的時候，能夠在建筑結構的剪力墻周邊布設相關梁柱等構造，利用這類梁柱構造對剪力墻實施相應保護。所以，能夠使得地震當中的斜向裂縫擴展以及蔓延情況減少，對墻體構造的安全性以及穩(wěn)定性的維護具有關鍵的影響。加入地震之中的剪力墻構造遭受一定損傷，則墻體周邊梁柱構造能夠取代剪力墻來繼續(xù)發(fā)揮其承載功能，從而就可以實現(xiàn)斜截面抗震目標。斜截面如圖5 所示。

圖5 斜截面

2.6 墻肢面設計

開展建筑構造抗震設計的時候，能夠通過控制單個墻肢面積以及多墻肢構造布置等措施，預防結構當中產生抵御裂縫。除此之外，多墻肢的設計方式還能夠使得剪力墻剛度和強度獲得有效提升，從而能夠提升框架剪力墻構造的抗震水平。改善墻肢面的設計，能夠使得建筑構造抗震水平獲得有效提升，所以相關設計工作人員應當充分關注墻肢面設計工作。

2.7 樓板的設計

轉換層的樓板結構將上部水平剪力傳遞至下部，容易引起樓板應力分布不均勻，產生變形，為了確保樓板的穩(wěn)定，需采用180mm 以上的現(xiàn)澆型鋼筋混凝土板，增加各層的橫向剛度，提高轉換梁的抗扭轉強度，提高樓板的抗震性能。在對樓板結構進行設計的時候，必須確保混凝土的強度不低于C30，并且使用雙向雙層配筋，并且要確保其配筋率大于0.25%，與此同時，在轉換層的混凝土結構設計中，建議添加1%的鋼纖維，以增強混凝土結構樓板的抗剪切強度，以便有效傳遞轉換墻肢的剪力。在進行樓面開口時，要注意不要開口太大，要在開口附近設置構造梁幫助樓板傳遞剪力。

適當加強轉換層相鄰樓層的樓板，將樓板厚度提高到150mm，并進行雙層雙向配筋。在對建筑物上、下樓層轉換層的結構強度進行優(yōu)化設計時，必須確保新增的框支柱與相鄰落地墻之間的間距不大于10～12m，并且落地墻之間的間距應控制在不大于1.5B～2B 和20～24m，此處，B 為落地墻之間的樓蓋平均寬度[5]。

2.8 合理選擇建筑的材料

為了確保高層建筑轉換層的材料良好，且結構具備合理性，在確定建筑選材時，應該首先考慮到建筑的性能，使其能夠維持建筑的整體穩(wěn)定性。在選擇材料時，首先要考慮不同部位的實際需要，選擇高承載力和抗彎承載力的材料類型。在設計轉換結構時，使用高承載力、高延性的材料可以確保建筑物具有良好的抗震效果。在結構設計中，可以采用型鋼混凝土（鋼骨）梁的轉換結構，從而提高其抗震性能。

3 結語

從目前建筑業(yè)的發(fā)展趨勢來看，我國目前的超高層建筑越來越多，工程建設規(guī)模越來越大，對建筑結構的設計提出了新的要求。轉換層在高層建筑中的使用日益廣泛，其傳力明確，受力性能良好，可靠性高，結構設計簡單，施工方便，還有利于降低造價。